伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床霎终、工業(yè)機(jī)器人及其它產(chǎn)業(yè)機(jī)械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國(guó)內(nèi)外普遍受到關(guān)注冲驶。在20世紀(jì)最后10年間剩耸，微處理器(特別是數(shù)字信號(hào)處理器——DSP)技術(shù)料鲫、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)士宏、控制技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)肝慕。如果說20世紀(jì)80年代是交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)取代直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的話，那么，20世紀(jì)90年代則是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化孟景、智能化刻渔、網(wǎng)絡(luò)化的10年。這一點(diǎn)在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家尤為明顯满哪。

二婿斥、國(guó)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

無人化、規(guī)纳谘迹化生產(chǎn)對(duì)加工設(shè)備提出了高速度民宿、高精度、高效率的要求像鸡，交流伺服系統(tǒng)具有高響應(yīng)活鹰、免維護(hù)(無碳刷、換向器等磨損元部件)只估、高可靠性等特點(diǎn)志群，正好適應(yīng)了這一需求。例如蛔钙，日本FANUC公司锌云、三菱電機(jī)公司、安川電機(jī)公司吁脱、德國(guó)Siemens公司桑涎、AEG公司、力士樂Indramat公司灿躏、美國(guó)A.B公司烈瘸、GE公司等均先后在1984年前后將交流伺服系統(tǒng)付諸實(shí)用。國(guó)內(nèi)的交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)起步較晚兽肮，到20世紀(jì)80年代末才有產(chǎn)品問世范般。如冶金部自動(dòng)化研究院華騰公司的ACS系列、揚(yáng)州5308廠引進(jìn)Siemens公司的610系列郭血，這些產(chǎn)品采用大功率晶體管模塊(GTR)钟展，屬于模擬伺服，但從技術(shù)上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白缤滑。

進(jìn)入20世紀(jì)s"年代困邪，微電子制造工藝的日臻完善，使得DSP運(yùn)算速度呈幾何數(shù)上升瓤危，達(dá)到了伺服環(huán)路高速實(shí)時(shí)控制的要求业馒，一些運(yùn)動(dòng)控制芯片制造商還將電機(jī)控制所必需的外圍電路(如A/D轉(zhuǎn)換器、位置/速度檢測(cè)倍頻計(jì)數(shù)器么鸿、PWM發(fā)生器等)與DSP內(nèi)核集成于一體蛾趣，使得伺服控制回路采樣時(shí)間達(dá)到100μs以內(nèi)，由單一芯片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加、減速控制仇祭，電子齒輪同步控制披蕉，位置、速度乌奇、電流三環(huán)的數(shù)字化補(bǔ)償控制没讲。一些新的控制算法如速度前饋、加速度前饋礁苗、低通濾波爬凑、凹陷濾波等得以實(shí)現(xiàn)。另一方面试伙，電力電子技術(shù)的發(fā)展嘁信，使得伺服系統(tǒng)主電路功率元件的開關(guān)頻率由2～5kHz提升到15～20kHz，1GBT(絕緣柵門雙極性晶體管)及IPM(智能型功率模塊)均是這一時(shí)代的產(chǎn)物疏叨，從而提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性潘靖，降低了系統(tǒng)的噪音。以上兩個(gè)方面不僅是交流伺服實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)蚤蔓，而且使得交流伺服趨于小型化泛汁。目前一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的伺服系統(tǒng)生產(chǎn)廠家基本上均能夠提供全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)或者可以與自己的CNC系統(tǒng)相配套，如日本FANUC公司陶焙、三菱電機(jī)公司衙到、安川電機(jī)公司、松下公司梯匠、山洋電機(jī)公司、德國(guó)Siemens公司啡洁、力士樂Indramat公司扶绒、Lenze公司、美國(guó)A.B公司蕊肖、Kollmorgen公司幅之、Relliance公司、Baldor公司逐豆、PacificScientific公司等刑炎。

全數(shù)字交流伺服技術(shù)的飛速發(fā)展，使得用戶根據(jù)負(fù)載狀況(如慣量范颠、間隙浦译、摩擦力等)調(diào)整參數(shù)更為方便，也省去了一些模擬回路所產(chǎn)生的漂移等不穩(wěn)定因素溯职，但在發(fā)展初期精盅，伺服接口缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)廠家均設(shè)計(jì)自己的接口電路，相互之間無可互換性叹俏，用戶適配較為麻煩妻枕。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及PC-basedCNC技術(shù)快速發(fā)展的情況下，這一問題尤為突出粘驰。

在1987年屡谐，由德國(guó)機(jī)床協(xié)會(huì)和德國(guó)電力電子協(xié)會(huì)聯(lián)合提出數(shù)字驅(qū)動(dòng)接口國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即SERCOS(SerialReal-timeCommunicationSystem串行實(shí)時(shí)通信系統(tǒng))接口作為高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)數(shù)據(jù)串行實(shí)時(shí)通信接口蝌数，這兩個(gè)協(xié)會(huì)將電機(jī)愕掏、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)的主要制造商組成一個(gè)聯(lián)合工作組籽前。最初加入SERCOS工作組的公司有AEC亭珍、ABB、AMK枝哄、Banmuller稿服、Bosch、Indramat德籍、Siemens舀闻、PacificScientific等幾家公司。到了1994年消耸，SERCOS成為控制器與數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接口的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并作為IEC61491標(biāo)準(zhǔn)獲得通過手霎，因此具有開放性，迄今成員已增加到70多個(gè)公司租既。與此同時(shí)杖进，開發(fā)了相應(yīng)的ASIC芯片、SERCON816宿拔，傳輸速度為2/4/8/16Mbit/s隧庐，SERCOS與其它串行現(xiàn)場(chǎng)總線相比，有效數(shù)據(jù)傳輸率高视甩，例如Ethement以100Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時(shí)士袜，有效數(shù)據(jù)傳輸率為5～10Mbit/s；SERCOS以16Mbit/s速度傳輸數(shù)據(jù)時(shí)电爹，有效數(shù)據(jù)傳輸率為11Mbit/s蔫仙。CAN(controllerAreaNetwork)用于運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，必須提供額外的存儲(chǔ)緩沖器及信號(hào)管理資源丐箩，其成本大約是SERCOS接口的2倍摇邦，另一個(gè)特點(diǎn)是它的光纖噪聲抑制能力強(qiáng)、傳輸可靠性高屎勘。雖然SERCOS接口初終是為CNC與數(shù)字伺服接口而開發(fā)涎嚼，迄今已被廣泛應(yīng)用于通用運(yùn)動(dòng)控制器與數(shù)字伺服之間的接口阱州。目前已能滿足在2ms內(nèi)，使一臺(tái)控制器與多達(dá)32個(gè)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信法梯。SERCOS為數(shù)字伺服網(wǎng)絡(luò)化鋪就了一條寬闊大道苔货，可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來立哑，帶有SERCOS接口的伺服系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入家庭夜惭、辦公室、工廠車間乃至各個(gè)與伺服應(yīng)用相關(guān)的領(lǐng)域铛绰。力士樂Indramat公司在1999年之所以占據(jù)北美伺服驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)10.5%的份額诈茧、位居第一位，一方面是該公司在應(yīng)用工程丈巩、銷售粗线、服務(wù)及用戶支持方面的加強(qiáng)，另一個(gè)主要因素是承諾開放結(jié)構(gòu)——SERCOS超丛。

輕質(zhì)(如銅蚂霎、木材、鋁合金等)逢棺、復(fù)合材料在汽車贷挠、家電、AF業(yè)中的大量使用篱馅，對(duì)高速春环、高效加工提出了新的要求。為了適應(yīng)這一需求展嘲，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼推出直線電機(jī)沟密、高速主軸電機(jī)，而且付諸實(shí)用曾探。對(duì)于直線電機(jī)而言媳谁，其控制技術(shù)與傳統(tǒng)的交流伺服電機(jī)相差不多，但由于直線電機(jī)本身沒有轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動(dòng)體友酱，因而本身慣量小，所以具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性柔纵，而檢測(cè)元件直接安裝于機(jī)械一側(cè)缔杉，從而檢測(cè)工作臺(tái)的位移，也避免了旋轉(zhuǎn)電機(jī)在方向改變時(shí)所存在的換向間隙搁料，滿足了高速或详、高精密加工對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求。從IMTS’2000展覽會(huì)來看郭计，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在高速加工技術(shù)方面處于領(lǐng)先水平霸琴，IBAG公司已向業(yè)界提供0.125～185kW椒振，最高轉(zhuǎn)速為14,000r/min的系列化高速內(nèi)裝式主軸系統(tǒng)，徑向梧乘、軸向重復(fù)精度小于1μm澎迎，電機(jī)軸承有混合陶瓷軸承、液靜壓軸承选调、磁浮軸承三種夹供，采用水管冷卻，且內(nèi)置位置傳感器供加工中心ATC之用臭呀。主軸驅(qū)動(dòng)采用矢量變頻技術(shù)喂磷，已在模具加工、高精密電極加工聊树、鋁質(zhì)零件加工欲访、高精度磨削加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，F(xiàn)isher公司也有類似產(chǎn)品峦筏。

三宏动、國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)在20世紀(jì)80年代初期通過引進(jìn)、消化笋俭、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)捏趴，又在國(guó)家“七五”、“八五”沦恩、“九五”期間對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行重大科技項(xiàng)目攻關(guān)取得了很大成果筑唁。但由于產(chǎn)品可靠性等方面的原因，制約著我國(guó)數(shù)控機(jī)床的配套及應(yīng)用拒惯，從而影響我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展饺饭。一些機(jī)床廠家也不得不選用國(guó)外的伺服系統(tǒng)，使得國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在價(jià)格职车、交貨期瘫俊、可靠性等方面均不占優(yōu)勢(shì)，更無心力開發(fā)市場(chǎng)需求的新品種悴灵，從而失去巨大的市場(chǎng)份額扛芽。從公開的統(tǒng)計(jì)資料來看，CNC系統(tǒng)中75%以上的故障出自伺服部分积瞒。然而川尖，近年來在國(guó)家不斷組織科技攻關(guān)的同時(shí)，一些民營(yíng)高科技公司也為發(fā)展我國(guó)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)注入了新的活力茫孔。例如北京中寶倫自動(dòng)化技術(shù)有限公司在國(guó)家沒有投入一分錢的情況下叮喳，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，不斷開發(fā)新產(chǎn)品缰贝，1994年開發(fā)成功PDC系列直流伺服系統(tǒng)馍悟，扭矩從1N?m至44.1N?m共有七個(gè)規(guī)格的寬調(diào)速直流伺服電機(jī)畔濒，采用國(guó)際上最新一代的功率器件——IPM、PWM控制锣咒，調(diào)制頻率達(dá)到15kHz恬皆，有效地克服了以往SCR控制時(shí)電流斷續(xù)所產(chǎn)生的換向火花對(duì)于換向器的燒蝕，可使碳刷壽命延長(zhǎng)1倍以上线盔。1997年底該公司又開發(fā)成功PAC系列交流伺服系統(tǒng)灸颜，與蘭州電機(jī)廠引進(jìn)德國(guó)Siemens公司1FT5系列的94個(gè)規(guī)格的無刷交流伺服電機(jī)相配套。轉(zhuǎn)速系列有1,200r/min柄童、2,000r/min拇从、3,000r/min、4,000r/min免趋、4,500r/min赠恭、6,000r/min，扭矩范圍0.15～90N·蔬透；2000年11月又根據(jù)市場(chǎng)需求棱歹，開發(fā)出PAC-P系列數(shù)字化位置型交流伺服系統(tǒng)。這些產(chǎn)品推向市場(chǎng)后发荧，取得了很好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益馁梁，得到北京第一機(jī)床廠、清華大學(xué)精密儀器廠刃唤、青海第一機(jī)床廠等廠家認(rèn)可隔心，與XA5750滑枕銑床、XA718立式銑床尚胞、XA2412/2410龍門銑床和XKA5032數(shù)控立式銑床硬霍、數(shù)控異型螺桿銑床、XKA8132/8140數(shù)控銑床等配套笼裳。除此之外唯卖，也應(yīng)用于復(fù)合材料成型機(jī)械、汽車子午胎一段躬柬、二段成型及裁斷機(jī)械拜轨、衛(wèi)星風(fēng)洞群控制、電子元件材料切割允青、編帶等領(lǐng)域橄碾。目前，近200臺(tái)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各大汽車子午胎生產(chǎn)線昧廷，每日24h連續(xù)運(yùn)行。除在國(guó)內(nèi)應(yīng)用外偎箫，從1997年開始姚熊，該公司部分產(chǎn)品由北京第一機(jī)床廠配套出口到德國(guó)猖沈、加拿大、澳大利亞等國(guó)家红最。從1994年至今售出將近1000臺(tái)套交/直流伺服系統(tǒng)诲狐，幾年來無一臺(tái)返修，根據(jù)該公司記錄數(shù)字來看拟艳，只有8臺(tái)均由于用戶接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致保險(xiǎn)電阻喧畏、電源回路及接口元器件燒壞。使用中寶倫產(chǎn)品的用戶改變了對(duì)于國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)可靠性不好的看法悦浙。華中數(shù)控系統(tǒng)有限公司愤栽、珠峰數(shù)控公司、航天數(shù)控公司挟七、中科院電工所等單位通過實(shí)施國(guó)家科技項(xiàng)目攻關(guān)齿喧，已能夠向各機(jī)床制造廠配套自身數(shù)控系統(tǒng)所需要的伺服系統(tǒng)，還應(yīng)用于一些老設(shè)備技術(shù)改造相贺。洛陽軸承研究所自主研發(fā)高速電主軸轻欣，已應(yīng)用于軸承磨床、印刷電路板銑肃弟、鉆等方面玷室。